（环境工程专业论文）土壤污染物在径流作用下进入水体的负荷研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 水资源短缺是当今世界范围内面对的共同问题，水污染是导致水 资源短缺的重要原因。在点源污染物排放得到解决后，非点源污染物成 为水体污染的主要来源。对非点源污染的研究自上世纪6 0 年代起世界 各国从不同方面考察了污染从源到汇的发生过程。 作为各种污染物载体同时也是净化场所的土壤是非点源污染发生 的起源地。土壤也为各种反应提供酸、碱、酶、温度、湿度等反应条件。 不同污染物在土壤中发生反应的类型也不同，有的污染物由于难于降 解，随着时间的推移在土壤中的积蓄；有的易被微生物降解，在土壤中 存储量随时间增加而减少。 径流携带污染物首先考察径流的发生过程，其中涉及到降雨、植 被、土壤、土地利用等诸多因素。污染物特性对传输携带入湖量有重要 影响，污染物溶解性好便于运输，溶解性差只能靠吸附搬运，受颗粒物 特征、径流路径影响较大。土壤中磷的释放是造成富营养化的主要因素。 农业耕种施用了大量磷肥，这些含磷物质易溶于水，降雨时进入水体造 成富营养化。通过数学模型能够估算降雨径流携带入湖量。 九寨沟风景区近年来人类活动加剧，公路、栈道的修建破坏了沿 线植被，造成水土流失，为磷的排放准备了条件。大量的旅游活动使不 确定性排放带来的污染更为严重。通过径流小区实验，用s c s 曲线数 和u s l e 模型，在g i s 和a n n a g n p s 平台下估算径流和土壤颗粒带入 水体的磷的总量，计算结果表明此方法能够很好的代表污染物的输出水 平。 关键词：土壤污染物径流输出量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c es h o r t a g ei saw o r l dp r o b l e mb e c a u s eo fw a t e rp o l l u t i o n i n o r g a n i z a f i o nl e t t i n gi st h ew o r s tf o u n t a i no fp o l l u t i n ga f t e rp o i n tp o l l u t i o n i ss o l v e d m a n yc o u n t r i e sh a v er e s e a r c h e df r o md i f f e r e n ti i d e ss i n c es 投哆 a g e sl a s tc e n t u r y a l lk i n d so fm i n e r a la n d o r g a n i ca r e t h ec o m p o s i n go fs o f t t h e s e m a t t e rc a nb ed e c o m p o s e db ym i c r o b ea n da s s i m i l a t e db yp l a n t s t h e yc a n a l s ob et r a n s p o r t e di n t or i v e r sa n dl a k eo ns o m e c o n d i t i o n s p h o s p h o r u si s t h ep i v o t a lc a u s i n gt oa f f l u e n c ea l i m e n t a t i o no fw a t e r p h o s p h o r u $ e x i s ti n m i n e r a lo fs o i la n dc o u l dn o tb eu s eo fp l a n td i r e c t l y b u tam o u n t so f p h o s p h o r u sf e r t i l i z e ra r eu s e di na g r i c u l t u r e i tc a nb es c h l e p p e de a s i l yi n t o w a t e rw h e nf a i l i n g r a i n w a t e rs c h l e pag r e a td e a lo fp o l l u t i o n si n t ot h ew a t e r s o i t st h e f i r s ti m p o r t a n c ec or e s e a r c ht h eo c c u r r i n go fp o l l u t i o n m a n yf a c t o r s , s u c ha s r a i n w a t e r , v e g e t a t i o n ，s o i l g r o u n du t i l i z e ra r ei n v o l v e d p o l l u t i o n s q u a l i t yh a s i m p o r t a n ti n f l u e n c et ot r a n s f e r w h e no n ed i s s o l v e se a r l y , m o r eo fi tw o u l d g oi n t ot h ew a t c lo nt h ec o n t r a y , w h e nam a t t e r sw a t e r - s o l u b i l i t yi sb a d ，t h e s c h l e p p i n gq u a n t i t y l i e0 1 1t h e g r a n u l e a n dt h e p a t h t h e r a i n w a t e r m e c h a n i s mm o d e lo f f e rt h ew a yo fc o m p r e h e n d e r t h es t i l tm o d e lm a k e c o m p u t i o nb e c o m ep r a x i s j i u z h a iv a l l e yc o n t a i n sa m o u n to fv i s i t o r sr e c e n ty e a r s r o a d sa n dp l a n k r o a d sa r eb u i l t v e g e t a t i o nw a sd e s t r o y e d a l lt h e s et a k em o r ep o l l u t i o ni n t o l a k e s b yt h ew a yo fe x p e r i m e n ti ns u b a r e a ，t h eg r o s sc a nb ee s t i m a t e dw i t h t h eh e l po fc o m p u t e r sb ys c sc u r v ea n du s l em o d e l r e s u l ti n d i c a t e st h a t t h ep h o s p h o r u si sa b o u t2 9 2 2 k ge v e r yy e a r k e yw o r d s ：r a i n w a t e rs o i lp o l l u t i o ns c h e l p i n gq u a n t i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 世界范围内的淡水资源短缺已成为重大的环境问题之一，水体污染 导致的河流水质下降及湖泊富营养化是水资源紧缺的重要原因。当前的 水环境污染从发生类型上可分为点源污染和非点源污染，在点源污染得 到逐步治理和控制后，非点源污染对水环境的巨大危害显现出来，对人 类生产生活产生巨大影响。非点源污染是指溶解的或固体的污染物从非 特定地点通过径流过程汇入受纳水体引起的水体污染。相对于点源污染 而言美国清洁水修正法案将非点源定义为污染物以广域的、分散的、微 量的形式进入地表及地下水体，溶解的或固体的污染物从非特定地域通 过径流过程汇入水体，具体讲非点源污染物随地面径流或经土壤、地下 水系统淋虑、循环进入地表水体，它包括暴雨径流、大气干湿沉降和底 泥释放等方面，其中暴雨径流是伴随着水文循环初期而发生的一种污染 面最大、随机性最强的污染源。与点源相比它具有随机性，污染物及其 排放途径的不确定性，污染负荷的时空差异性。非点源污染过程与径流 过程呈现大致相同的变化趋势，这种不确定性和时空差异性给非点源污 染的研究带来了很大的困难。 从一定流域范围内影响水体污染的源和汇来看，非点源污染已成为 水环境的一大污染源或首要污染源。一些国际组织的调查表明，由非点 源污染引起的水质问题超过5 0 以上。美国e p a 通过多年调查和监测， 在1 9 8 4 年给国会的一份报告中指出，非点源污染是美国现有水质问题 的主要原因之一，进入全美地表水中的悬浮固体的9 2 ，总氮的7 9 ， 总磷的5 3 ，大肠杆菌的9 8 ，锌的4 3 是由非点源污染造成的。在 欧洲，丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷，5 2 的磷负荷由非点源污染引起： 荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和 5 0 ：德国莱流域也因过量施用化肥导致河流中的磷浓度超过0 2 m g m 。 另外，日本的稻田是b i s w a 湖的最大污染源。许多发达国家的经验表明， 随着经济发展水平的提高和农业结构调整，非点源污染诱发的湖泊、水 库、河流富营养化的比重逐渐加大，即使点源污染得到全部控制，河流 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 水质的达标率仅为6 0 一6 5 ，湖泊达标率仅为4 2 。 目前我国大多数湖泊水库已经或正进入营养化状态，云南滇池上世 纪8 0 年代末开始出现富营养化，9 0 年代成极富营养状态，该湖丰水年 入湖污染物总量中t n 刀和s s 非点源负荷量各占入湖总量的5 5 6 ， 5 8 ，9 4 ，枯水年分别占3 1 3 ，4 5 ，9 2 。安徽巢湖原为合肥市 的重要水源之一，但9 0 年代初就成为几大污染湖泊之首，1 n 1 田的非 点源入湖比列占6 8 2 ，4 9 6 。作为多山的农业大国，巨大的人口压力 要求有限的土地尽量多产粮，以满足人们生活需要。但耕种方式落后， 各种农药、化肥大量施用，开荒垦地造成水土流失，这些农田生态系统 中的非点源污染给水域带来严重的环境问题。随着经济快速发展，我国 面临的环境问题将越来越突出，加强非点源污染的研究对水污染防治具 有重要意义。 1 2 研究现状 农田土壤侵蚀，水土流失是人类很早以前就认识到的问题。农业污 染水质问题最早是从研究农药污染开始的，集中在确定农田径流污染性 质、研究农药与水质污染和鱼类死亡之间的关系。2 0 世纪7 0 年代美国 颁布了一系列法规，要求评价非点源污染对水质的影响，这期间主要是 计算污染负荷量。自7 0 年代末，为满足水质规划的要求，开始使用数 学模型进行农业污染水质定量评价，并对生产条件的改变对水质影响程 度进行预测，不断出现非点源污染模型，同时进行各种试验，检验模型 的可靠性。北美和西欧在非点源污染研究和控制自上世纪6 0 年代自 今，已形成了一套系统的技术路线和方法，对非点源污染的控制包括源 控制、径流一污染物传输过程控制、汇系统治理。其研究过程可以从三 个方面理解：研究非点源污染的因( 降雨径流) 和果( 非点源污染物 输出) 的观测资料，建立相关关系计算非点源污染的负荷。非点源污 染模型迅速发展的时期，研究取得重要进展，从简单的统计模型提高到 复杂的机理模型，从长期平均污染物负荷输出或单场暴雨分析上升到连 续的时间序列相应分析，并且针对非点源污染的管理开发研制了大量实 用模型。将g i s 等技术运用于非点源污染模型的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 国内非点源污染研究与防治起步较晚，上世纪8 0 年代初开始的河 流、湖泊、水库富营养化调查和水质规划研究，如武汉市东湖流域山地 和农田区域氮、磷流失，江苏太湖流域农业面源污染源及其控制对策研 究，天津于桥水库流域非点源污染负荷输出预测模型研究等利用试验模 拟和理论模型，揭示污染负荷发生的原因。结合土地利用等因素，对非 点源污染防治进行了有益的探讨，推动了我国非点源污染的研究。9 0 年代，我国在农业、城区非点源污染、大气沉降、生物污染方面都有一 定的进展。但由于缺少一系列的水文水质检测数据，很大程度上影响了 非点源污染研究工作的深入。李怀恩、沈晋从我国的实际情况出发，建 立了一个完整的流域非点源污染模型系统，提出了流域汇流与非点源污 染物迁移逆高斯分布瞬时单位线性模型及流域产污过程模型。该模型既 考虑了水动力学与污染物迁移机理又便于求解与利用。陈西平( 1 9 9 2 ) 提出了包括降雨产流和径流水质相关子模型用于计算农田径流污染负 荷的三峡库区模型，根据蓄水容量益线计算产流量，依此确定污染物输 出总量。李定强( 1 9 9 8 ) 建立了降雨一径流、径流量一污染物负荷输出 量之间的数学统计模型，并用该模型对流域的非点源污染负荷总量进行 计算，得出了流域非点源污染物产生和移动规律。洪小康( 2 0 0 0 ) 根据 监测资料建立了水质水量相关关系，将年径流量分割为地表径流和地下 径流，并将水质水量相关关系应用于地表径流，从而提出了有限资料条 件下估算降雨径流年负荷量的水质水量相关法。货保根( 2 0 0 1 ) 根据实 测资料对s c s 法的前期损失量和径流曲线数予与修正，并提出相应的 模型。张建云( 2 0 0 1 ) 描述了土壤侵蚀的物理过程，分析了影响土壤侵 蚀的主要因素，提出了包括降雨径流模型、土壤侵蚀模型、畜禽污染模 型的非点源模型( n p s p ) 。胡远安( 2 0 0 3 ) 结合分散参数非点源模型 s w a t 的应用。讨论了连续模拟非点源模型水文模块的计算，结果表明 s w a t 能够有效模拟长时间序列的水文过程。 近些年，随着“3 s ”技术的发展，我国基于“3 s ”应用的非点源污 染研究逐步开展，将“3 s ”技术应用于非点源污染研究中在农业非点源 机理及污染敏感性的时空分布评价等方面取得了丰硕的成果。施为光 ( 1 9 9 4 ) 使用美国土壤通用流失方程并用红外遥感航片对其参数进行率 定，计算出流域自然集水区域的高低潜在侵蚀量，并用输砂系数计算出 年流入湖中的泥砂、氮和磷量。王晓燕( 1 9 9 6 ) 利用g i s 建立小流域非 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 点源污染信息的数据库，分别以s c s 方程、u s l e 方程和污染物迁移为 核心，初步建立非点源污染负荷模型，并采用实测资料对s c s 进行修 正。章北平( 1 9 9 6 ) 基于流域地表形态、功能与覆盖特征、降雨径流与 非点源污染物分布的时空规律，遴选建立流域的降雨径流量、土壤输出 量与非点源污染负荷的数学模型。粱天刚( 1 9 9 8 ) 利用a r c i n f o 系统的 地表水文模拟方法模拟了水流方向、汇流能力，进行子集水区的边界划 分，在此基础上，模拟了不同降雨量时可产生的地表径流。于苏俊( 2 0 0 2 ) 开发了一种运算法自动地生成a g n p s 模型所需的大部分信息，并把模 拟结果转换成g i s 格式。 总体来看，我国在这一方面做的是农业非点源和城区径流污染的宏 观特征与污染负荷定量计算模型的初步研究。非点源污染控制与管理措 旌除了一些水土保持方法和“多塘系统”外，其它成就不是很多，研究 硬目零星、系统性较差。比较国际水平，我国非点源研究在主要类型的 数学模型研制、参数提取、收集资料和处置技术方面以及水源流域管理 和控制工作方面存在较多的空白。总结研究过程，可以分为两个阶段： 研究了水环境富营养化与非点源污染、土地利用方式与非点源污染的 负荷关系，初步把握了非点源污染负荷的发生情况。农业非点源污染 定量模型研究取得进展和g i s 技术的应用。目前国际上非点源污染研究 集中在影响污染物运移的因子分析：研发非点源化学污染物运移的预报 模型；减少污染物流失的战略和对策研究。本文从降雨径流与污染物的 输出、小区降雨一径流的污染物输出量估算方面研究非点源污染。 1 3 确定非点源污染负荷的技术思路和方法 非点源污染物主要起源于土壤侵蚀、农药与化肥的施用、农田污水 灌溉、城镇地表径流、林区地表径流和大气干湿沉降、各种固体废弃物 的处理等。也可以说大部分非点源污染物质来源于农业生产，其它如城 市、矿山的非点源污染只占到很小部分。非点源污染产生过程由降雨径 流、土壤侵蚀、地表溶质容出、土壤溶质渗虑过程组成。影响因素包括 ( 1 ) 降雨的雨强和雨量；( 2 ) 土壤的抗侵蚀性：( 3 ) 坡度；( 4 ) 坡长：5 植 被覆盖；( 6 ) 人工活动。非点源污染的发生机理十分复杂，一般将其形 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 成过程概化为三个阶段，抽象出一条主线，即从降雨开始的输入到下垫 面的响应，再到产污输出。对各阶段分别处理，最后获得非点源污染负 荷输出。产流、产砂、产污三个阶段的模型都没有纯粹的物理机理模型 可以运用，一般通过经验模型估算污染物产出。其物理形成过程概化为： 图l l 非点源污染物理过程 在非点源污染模型中，无非是用参变量形式表达图1 1 这些因素。 正如n o v o m y ( 1 9 8 6 ) 评论的：一个好的非点源污染模型应能表达区域的 空间变量和模拟水污染分布的物理过程。而参变量是对非点源污染影响 因素的本质概括，它由基于产流、产砂和产污的物理机理要求及资料获 取和表达的可能性来确定。模型研究的进展已找到了这些参变量，它们 使非点源污染成为土地利用，土地物理特性，水文学和气象学特性这些 参数的函数。 径流中的污染负荷来源于点源和非点源污染，确定非点源污染负 荷量有两种方法： 1 直接法：以发生源为起点，通过对非点源污染物形成过程的模拟 来研究输出量。 2 间接法：以输出为依据，对流域出口整个径流过程的水质和水量进 行同步监测，扣除点源后的量。 实验小区从一定程度上可以直接反映影响非点源污染流失的各因 素之间的相互关系，鉴于氮磷污染负荷同土地利用之间存在较为密切的 相互关系，在非点源污染负荷模型中让其作为主控因子来划分小单元， 通过径流小区实验用a n n a a g a n p s 模型估算径流量和污染物输出量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章土壤中污染物迁移转化机理 暴雨径流含有来源于城市非点源、农业非点源、矿山及交通的悬浮 固体、好氧物质、重金属、富营养化物质、细菌和病菌、油脂类、酸碱 类、有毒有机物和腐殖质等，这些物质进入水体打破了原有的平衡，使 物质调节系统发生变化，通常情况下以生态系统组分结构变化表现出 来。以道路交通为例，城市或临近公路地区污染物的沉积率因交通影响 而增加。路面的污染物还与城市的工业种类以及附近地区的地质条件有 关，街道垃圾中微粒大多来自附近土壤和工业粉尘，并通过空气传输到 路面上来，在大多数处于快速发展的城市，使水质降低的主要污染源来 自市区施工的泥砂负荷。上诉污染物质进入水体后对水质的影响很大， 水体的许多物理化学性质随之改变，据j b e l l i s 的研究表明，受纳水体 中金属含量的3 3 7 5 来自公路路面径流，其中来自公路路面径流 的c d 、c u 、p b 、z n 的含量分别占水体总含量的4 6 ，7 8 ，4 7 ， 1 3 。在研究水体富营养化过程中检测出氮、磷含量超过普通水体成倍 以上，这表明氮、磷的大量输出是造成我国水污染的主要原因之一。水 环境中的氮、磷污染来源主要是城镇生活废水、部分工业废水、农田施 肥，这些物质通过淋溶流失进入地表水体。受径流因素的影响，进入水 体的氮、磷影响因子有土壤磷素水平、土壤质地、农业耕作、田间施肥 及灌溉等。 2 1 土壤有机污染物迁移转化机理 有机物通常是指含碳元素的化合物，但象c o 、c o , 、h 2 c o s 和l i e n 及 其盐等少数物质，虽然含有碳元素，其性质与无机物很相似。故一般归 于无机物。有机物种类繁多，把自然生长和人工合成的加在一起达上千 万种( 无机物只有十几万种) ，对于大多数有机物，有如下性质： 难溶于水，易溶于汽油、苯等有机溶剂( 相似相溶) ； 多为非电解质，不易导电( 非极性分子) ； 多数熔沸点较低( 分子晶体) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 大多易燃烧、易分解( 多由c 、h 组成，故易于燃烧：碳链越长 越易于断裂分解) ： 有机反应复杂、速率慢，多需催化剂( 分子反应一般慢于离子反 应；有机分子中共价键多，反应中可以断裂的部位多，故副反应多) 。 这些有机物如农药、油污等排放到大自然，可能造成食物链、地下 水、地表水及土壤污染问题。有的污染物还可以被作物吸收富集，污染 食品和食料：些水溶性的污染物可以随土壤水渗流到地下水，使地下 水受到污染；一些污染物可吸附于悬浮物随地表径流迁移造成地表水的 污染；许多污染物能够挥发进入大气，造成大气污染，所以土壤污染常 常成为重要的二次污染源。然而，壤既是污染物的载体又是污染物的 自然净化场所，进入土壤的污染物能够同土壤物质和土壤生物发生各种 反应，产生降解作用，其去除决定于污染物进入量和土壤净化能力之间 的消长关系，当污染物进入量超过土壤净化能力时，则导致土壤污染。 对有机物来说，其在土壤中的衰减可以概括为以下七个方面： ( 1 ) 被土壤颗粒吸附 ( 2 ) 渗率至地下水中 ( 3 ) 随地表径流迁移至地表水中 ( 4 ) 生物降解 ( 5 ) 非生物降解 ( 6 ) 挥发和随土壤微粒进入大气 ( 7 ) 被植物吸收进入食物链中富集或被降解 其中吸附与解吸、渗率、挥发和降解等过程对土壤中有机污染物的 消失贡献较大。这类污染物在土壤中的环境行为首先是由自身决定的， 如憎水性、挥发性和稳定性。同时环境因素也会产生重要的影响，如土 壤的结构和组成、土壤中微生物的状况、温度、降雨及灌溉等。 2 1 1 有机物迁移机理分析 有机污染物在土壤中的迁移转化十分复杂，迁移途径概括为：污染 源一表层土壤一犁底层土壤一下包气带土壤一地下含水层。土壤表面上 的有机物向土壤中入渗，并在土壤中残留。般情况下有机物在土壤中 的迁移能力很弱，使污染区聚集在土壤表层，由于土壤中存在大量的有 机和无机胶体、微生物和土壤动物，使进入土壤中的污染物通过土壤的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 物理、化学和生物过程不但可以被吸附也在土壤中分解和迁移。当污染 物强度较大且污染物中小分子烃类含量较高时，污染物就可能进入地下 含水层中。有机污染物在土壤中有三种形态：残留流体污染物，污染物 蒸气，在孔隙水中溶解的污染物。其中残留体又分为原油和含油污水， 原油和含油这两种物质性质根本不同，影响迁移转化的机理也就不同。 原油形态的影响因素如原油密度、粘滞性、吸附性、挥发性、流动性和 温度风速等，丽含油水迁移影响因素有：吸附、解吸、对流、扩散、挥 发、生物降解和温度等。原油形态污染物主要是生产和运输过程产生的， 由于油类迁移能力低。使污染区表层聚集大量原油，进入土壤后含油固 体物质与土壤掺混，其中油为主体相，水为杂质相。落地原油经过较长 时间，在重力作用下，经扩散和混合，同时通过土壤的物理。化学，生 物过程逐渐形成稳定态。这种样原油污染变成了含油污染，在重力作用 下沿土壤深处迁移，并在毛细力作用下沿平面扩散运动j 由于油类粘性 强，短时间内在小范围迅速形成高浓度，通常油类浓度大大高于土壤颗 粒吸附量，过量油类存在于土壤中，降雨时产生径流，一部分油污在入 渗水流作用下大大加快入渗速度；一部分随径流泥砂一起进入地表径 流。在径流中由于水流的剪切作用，土壤团粒结构被破坏，分布在土壤 颗粒孔隙中的油类物质被释放出来。因其水容性差，比重小，释放出来 的物质浮于表面并结合成大的石油团块。分布于水面的油类很快在水体 表面形成油膜，一部分向大气挥发，一部分沿水面扩散，当分散后以乳 化或溶解的形式向水下扩散，或被水中的泥砂所吸附悬于水中或沉于水 底。含油污水随径流做迁移运动，当遇到颗粒物质时则发生吸附和降解。 2 1 2 土壤对有机污染物质的净化和去除作用 土壤净化是指从外界进入土壤的各种污染物质，通过土壤的迁移、 留存、吸附、离子交换和大量土壤微生物对污染物的吸收、富集、抗诘、 降解、转化等复杂过程，将部分有毒物质转化为无毒物质，将复杂物质 转化为简单物质，土壤的这种自我更新过程称为自净。 土壤通常是由粘土矿物、腐殖质和复杂的有机物、无机物组成的胶 体，有巨大的表面积、带电荷、能吸附各种阴阳离子和分子，储存部分 污染物质，特别是土壤中生活的微生物对污染物的分解和转化。过去历 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 来都把土壤作为处理生活垃圾和工业废物的场所，近年发展起来的污水 灌溉就利用了土壤的净化功能，但由于土壤净化过程十分复杂，只能简 单的将土壤中污染物发生反应的过程简述如下： 1 土壤可以通过对有机污染物的稀释、扩散和挥发作用实现自 净：土壤是多项体，疏松、多孔且具有层次结构，进入其中的 挥发性物质很容易挥发到大气中。由于土壤本身含有水分， 并能借助外来水力的作用，使污染物质达到稀释的作用。 2 土壤通过氧化一还原反应使有机物中的某些污染物质改变 形态实现自净：土壤是一个氧化还原体系，它以空气中的自 由氧气、高价金属离子作为氧化剂，以有机物和低价金属离 子作为还原剂进行多种物质阃的氧化还原反应，加速有机物 质分解； 3 土壤通过络合一鳌合、离子交换和吸附作用使污染物中的某 些成分被土壤胶体牢固的吸附住，使其不能参与物质循环： 4 土壤通过化学平衡的缓冲作用和生物降解作用，将污染物转 化、沉淀和释放，降低其浓度和毒害作用，减轻或消除污染 而实现自净； 必须指出土壤的净化能力是受土壤容量限度的，当进入土壤的污染 物质低于土壤容量时，土壤净化过程发展，高于这个容量时，便发生土 壤污染。因此可以说土壤污染及其程度取决于污染物输入和土壤净化作 用之间的消长关系。对于保守性物质在土壤介质中的迁移仅仅是对流和 水动力弥散综合作用的结果；非保守性物质，还必须考虑它与地下水及 土壤介质的物理、化学和生物反应所导致的去除作用。随着社会经济发 展，工农业活动增加，进入土壤的污染物必定增多，在污染与净化的矛 盾中，污染将占主导。 2 2 无机物质迁移转化 无机物是无机化合物的简称，通常指不含碳元素的化合物，少数 含碳的，如一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐、氰化物等也属于无机物，通 常情况下把无机物分为氧化物、酸、碱、盐四类。大部分无机物的溶解 性好，易于被生物消化吸收，只有少部分在土壤中蓄积。我国广大农村 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 排放的生活废水、固体废弃物以及畜禽养殖大都有完备的收集系统，对 水体污染危窖最大的是农业生产所施用的农药和化肥，农肥中营养元素 利用率的高低直接决定了流失比例。磷是植物生长的限制性因子，研究 水体富营养化只需搞清楚磷的输入与输出，控制了磷的入湖量也就使水 体营养化程度得到降低。 2 - 2 1 磷的赋存与转化 2 2 1 1 磷的赋存 土壤营养元的流失不仅与水文循环早期阶段有关的现象如暴雨强 度、暴雨历时有关，进一步的在产生径流前韵土壤性质、类型、土壤水 分分布和污染物存在形态是在径流期间可迸入受纳水体的径流量和污 染物量的重要决定因素。本文针对代表性耕作地土壤性质、土壤有机质、 土壤p h 、土壤耕作方式及土壤温度条件参数进行土壤营养元流失分析。 土壤磷素以盐的形式存在，可分为难溶性的和易溶性的，根锯对不 同土壤含磷量的实测分析，难溶磷占土壤总磷量9 5 9 9 。难溶性 磷又分为有机磷和无机磷，有机磷一般占土壤全磷的2 0 5 0 。土 壤酸性越强，有机磷含量越高，在森林或草原植被下发育的土壤有机磷 可占总磷量的一半以上甚至可达9 0 。土壤中难溶性无机磷大部分被 三种元素铁、铝、钙所束缚，一般说来铁、铝是酸性土壤中主要的 结合剂，钙是微酸性到碱性土壤中的主要结合剂。在酸性土壤中，磷酸 盐沉淀在铁、铝氧化物表面或为溶液中游离的铝离子所沉淀或被高岭石 和锰脱石类的磷酸盐晶体所束缚：在中性或碱性土壤中，磷酸根离子则 常与钙离子形成沉淀。土壤易溶磷占全磷的很小部分，这部分磷最容易 随径流流失。由于大多数可溶性磷酸根离子为固相所吸附，所以这两部 分之间没有明显的界限。在一定的条件下，这些被吸附的离子能迅速的 与土壤溶液中的离子发生交换，处于被吸附态和存在于土壤溶液中的这 种溶性磷酸盐常被称为交换性磷。多项研究表明，通过施肥及作物残渣 而进入土壤的磷，一方面由于吸附、沉淀、微生物固持而为土壤所固定， 另一方面由于土壤微生物作用而得以分解和转化，这两个过程是| 土壤磷 素循环的主要过程。近年来，由于磷素投入量大大高于带出量，农田生 态系统中的磷素盈余使得土壤中总磷和有效磷不断积累。由于土壤对磷 的强固定作用而带来的土壤磷的富集大大增加了土壤磷流失的可能性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 土壤磷的固定，土壤组分与土壤液相中的磷反应将其移出液相，成为生 物不易利用的形态。土壤磷的固定机制分为吸附和沉淀，有些研究者将 磷的固定机制按反应类型和性质细分为物理吸附、化学吸附、阴离子交 换等。此外微生物的固定量也很大，在一般耕地中，仅是细菌吸收并固 定的磷估计有4 1 0 公斤公顷。固定在微生物中的磷酸盐，当微生物 细胞死亡时就释放出来重新进入土壤。对于土壤磷的固定机制可归纳 为； 2 2 1 2 磷的转化 圈圆圆圆 图2 - 1 土壤磷的固定机制 土壤磷的转化通常认为有四个过程，它们依次是无机磷酸盐的溶解 作用、有机磷酸盐的矿化作用、固定作用、无机磷酸盐的氧化一还原作 用。般情况下，土壤磷的价态较为固定，氧化一还原不十分重要，许 多常见的微生物能溶解已知存在于土壤中的难溶性无机磷，微生物的溶 解作用是通过酸化其生长环境，产生鳌合或交换过程来实现。也有研究 认为，由于微生物对钙离子的吸收，改变了微溶性磷酸钙的质量平衡， 带走了许多钙，因而使磷酸盐离子进入溶液。在某些土壤中，溶磷微生 物的比例占整个微生物群的8 5 。土壤中能够矿化有机磷酸盐的微生 物比例也很高，极端情况下达到7 0 8 0 ，通常在5 0 左右，这些 微生物产生各种酸，能降解相应的有机磷。此外有关研究认为，植物根 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 系分泌物在土壤磷的转化中也有重要作用，根系所分泌的低分子有机 酸、氢离子可以酸化根际土壤，从而溶解部分难溶性无机磷，所分泌的 磷酸酶可以矿化根际有机磷。 土壤磷素循环在天然植被条件下，除了进入雨水或深沉土壤中，或 因淋溶而损失的极少量的磷外，土壤磷的循环实际上是封闭的，但农作 物参与的磷素循环是开放的。农田土壤磷素循环可用下图2 - - 2 表示， 图2 2 土壤磷的转化 从图中可看出，肥料施入土壤后分成两部分，其中大部分因壤的 固定作用而积累起来，另一小部分存在于土壤溶液中。当可溶性磷因作 物吸收或因雨水淋溶而损失后，可由土壤中的化学平衡以及壤生物的 溶解和矿化作用而迅速得n - t , 充。因而，土壤磷素循环对于在径流中磷 素流失机理有十分重要的作用，并且为预测土壤磷素流失的潜在可能性 以及控制磷的流失源方面提供基础的理论依据。 2 2 1 3 土壤中磷的迁移 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 施磷引起土壤磷素积累，并提高土壤磷素的流失潜能。由于土壤 的流失不存在气态损失，只有当存在相应的迁移、传输途径及载体时， 土壤磷素的流失才有可能。磷素的流失途径有地表径流、淋溶排水、渗 流和土壤层问流。地表径流可以说存在于一切土体及地表建筑物的表 面，其能量主要依靠降雨，降雨的冲击动能引起地表土壤扰动，进而产 生土壤悬浮颗粒随径流迁移。在迁移过程中，地表径流还可冲刷所经过 地块的地表土壤，或随地表径流量的降低所夹带的土壤颗粒沉淀。在耕 地中，地表径流发生的时间与数量可能受到人为排灌设施的影响。土壤 通过地表径流导致磷素流失有一个重要特征：如果在施用磷肥或畜禽肥 的季节，几次暴雨造成的地表径流导致磷素流失总量可能是全年土壤磷 索流失面源总量的一半以上。研究发现，使用磷肥后的牧场草地，在一 次暴雨内，土壤磷素流失量是全年总量的6 9 。 土壤磷素流失特征与土壤磷素在土壤剖面的迁移和积累有关。研究 发现，连续多年的磷肥投入，土壤磷素最大淋溶深度可达5 0 c m 到1 0 m 以上。如果是在较为砂性的土壤剖面中，有机废水农用导致的磷素最大 淋溶深度可达6 6 m 。土壤层间流磷素的浓度及负荷变化较大，由于土 壤层间流较易受土壤耕层磷素及地表施磷的影响，土壤层间流溶解磷可 达0 o l 0 ，0 7 m g p l 。 2 2 。3 土壤磷流失机制探讨 土壤固有的磷索及施入土壤的磷肥是土壤磷素流失的最为直接的 来源，这部分磷以溶解态或者固态的形式流入水体。水分运动是土壤磷 素流失的动力和载体，因此讨论土壤磷素流失机制时，将土壤磷库、磷 素形态及水分运动结合在一起。土壤中水分运动特征决定了磷的流失途 径，地表径流和壤中流是磷流失的主要途径。对溶解磷而言，地表径流 如果发生在不施磷肥的时期。土壤溶解性磷素的流失主要通过地表径流 解吸及溶解等作用来实现。这种机制主要发生在降雨与土壤作用的0 2 5 c m 表土。而在土壤施磷季节，地表径流或农田排水中的溶解磷主要 来自于溶解于径流或农田排水中的磷，并随着排水次数的增加，径流中 的溶解磷呈指数下降。然而地表径流中的溶解磷的浓度及负荷与此时径 流中的固相态磷是一个动态平衡的过程，在地表径流的传输过程中，径 流的溶解磷在土壤与径流的界面发生吸附作用，径流中的溶解磷与径流 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 中的固体悬浮颗粒也发生吸附作用。模拟研究表明，地表径流溶解磷数 量随模拟径流水与土的比例增加而增加，随土壤磷素的提高而增加，溶 解磷浓度与负荷模拟径流和土壤作用的时间呈正相关。地表径流固态相 的浓度与负荷取决于降雨强度，土壤性质，地表植被等因子。地表径流 主要通过雨蚀动能剥离表土层土壤，但地表径流首先作用于粒径较小的 颗粒，如土壤粘粒，土壤胶体物质等，这就使得地表径流中固态磷素水 平高于径漉发生地点的土壤。相关研究发现，土壤耕作提高了粒径小于 0 m m 的土壤结构体的百分数，施磷显著地增加了这部分土壤结构体的 含磷水平。此时与土壤颗粒结合的磷素的流失主要为粒径小于0 ，i m m 的 土壤颗粒，而排水或地表径流优先剥离这部分粒径较小的颗粒。尽管土 壤淋溶与土壤层间流有一定区别，但在土壤磷素流失机制方面两者具有 很多共同点，可将两者合并讨论土壤淋溶过程中磷素的流失机制。 土壤基质流通过整个土体时，流速较慢且流经的路线较长，经历的 时间也越长。在基质流中，淋溶水相当部分的磷素与土壤剖面基质发生 吸附作用，面优势性的渗流通过相对较小的体却实现较大水量的向下 流失，因此在这种传输途径中淋溶水的磷素与剖面土壤不易发生吸附作 用，物理截获的淋溶水的磷素量也较小。因而这种机制不仅可以将溶解 在淋溶水中的磷素纵向输入地下水，还可以将地表颗粒传输进地下水或 测向进入农田排水渠。在地表径流传输过程中，悬浮其中的粘粒或粉粒 级固态物易被土壤大孔径间隙截获，并通过优势性渗流很快进入土壤较 深的剖面，特别是在较长一段时间后经历较大的降雨时，这个过程又能 将土壤大孔径间隙通道内的细小颗粒及土壤团粒剥离，通过土壤优势性 渗流进入地下排水系统。 2 2 4 有机质对磷素流失的影响 有机质对土壤磷素流失机制的影响主要通过有机质改变土壤磷素 的活性来实现，这种改变表现为增强或抑制磷素活性。有机质可以通过 与磷素发生竞争土壤矿物固磷点位的吸附作用两提高壤磷素钓溶解 活性，或通过与铁铝等固磷物质的化学作用，降低铁铝的化学性，达到 提高磷素溶解能力的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第三章污染物流失模型 从以上讨论中可以发现，污染物自进入土壤后发生了一系列复杂的 物理、化学、生物反应及径流损失。随着污染物在土体中积蓄时间的增 长，一部分物质被消化，另一部分物质却逐渐积累，其中径流作为污染 物流失的途径之一，特别对于造成水体富营养化的氮和磷在未得到有效 利用时，大部分将随径流流失。通过径流模型的研究能够有效估算出一 定区域里降雨输出的污染物的量。 3 1 径流的产生机理 3 1 1 土壤中的水势和达西定律 土壤通常由固、液、气三相组成，土壤固体颗粒成为骨架，气相主 要存在于非饱和带中，液相主要以吸湿水、薄膜水、毛管水、重力水等 形式存在。因此壤中的势由以下几项组成： 1 重力势：由重力场的存在而引起，决定于土壤中水的高度和位置。 2 压力势：由压力场中的压力差而引起的。由于饱和土中孔隙被水所 充满，所以只有饱和土中的水才有压力势；对于非饱和土，由于气孔隙 是连通的个点的压力均为大气压力。因此非饱和土中的压力势为零。 3 基质势：由于土壤基质对土壤水分的吸持作用引起的。土壤基质对 土壤水分的吸持机制主要是吸附作用和毛管作用。对于饱和土中基质为 零，只有非饱和土中才存在基质势，通常为负值。 4 溶质势：土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水分综合作用的结果。 5 温度势：土壤中任一点土壤水分的温度势由该点的温度与标准参考 状态的温度之差所决定的。 五个分势在土壤中不是同等重要的，对于饱和土壤水，总水势或总 水头由压力势和重力势组成，即： h = h + y h 为重力势，y 为位置深度 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 对于非饱和土壤水，总水势由重力势和基质势组成，即： h = - h + y h 为基质势，y 为位置深度 水总是从水势高的地方向水势低的地方流动，土壤中的水也遵循同 样的规律。早在一个多世纪前，达西通过饱和砂层的渗透实验，得出了 渗透速率v 和水力梯度成正比的达西定律： q ( v ) = k s h l ，式中，l 为渗透路径的直线长度，h 为渗流路径始末断面的总水 头差，h l 是相应的水力梯度，k s 为饱和渗透系数。 尽管在表达上形式相同，但水势和渗透系数却有不同的含义和特 点。饱和土壤水和非饱和土壤水的运动都是由水势差引起的。但是前面 已经说明两者的水势组成是不同的，饱和壤水的水势由位置势和压力 势组成，而非饱和土壤水的水势主要由位置势和基质势组成。饱和土壤 水流动和非饱和土壤水流动的另一重要区别在于渗透系数，土壤达到饱 和时，全部孑l 隙都充满了水，因而渗透系数很大，且为常数，而非饱和 土中的孔隙部分被气体所占据，故其导水率低于饱和渗透系数。非饱和 土的渗透系数是含水量的函数，随着含水量的减小而减小。 3 1 2 径流的形成 径流是指降雨或融雪水沿着流域的不同路径流入河流、湖泊或海洋 的水流。其中沿着地表流动的水流称为地表径流；沿土壤表层相对不透 水层界面流动的水流称为表层流；在地表以下沿着岩土孔隙流动的水流 称为地下径流。径流通过坡面和流域蓄渗与汇流，最终在出口形成径流 全过程的水分运动和物理传输机制。在内容上大体包括以下几个方面： 暴雨径流的源区；暴雨径流的运动路径：暴雨径流产生的时间问 题；不同径流成分运动的物理表达。不同界面层水力传导度和水力坡 度的变化引起流域水分的水平和垂直运动而控制了流域径流的形成。从 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 地形上看，一个流域可以概化为由三种基本地形单元即凸型、凹型和均 匀破面组成的系统，每一种坡面对径流的影响不同。同样由坡型到坡面 风化物质的厚度、饱和亚表层径流、非饱和期土壤水分空间分布、森林 植被的生长和水文单元的蒸发散等影响了径流的形成机制。其形成过程 如下： 图2 3 径流形成机制 产生径流的方式有两种，一是超蓄产流，二是超渗产流，但在多 数情况下，降雨发生时，同时形成下渗和土壤表面蓄积，形成似超蓄和 超渗产流。土壤蓄水是降水除去径流的部分，包括土壤表面和土壤中两 部分，土壤中的储水是土壤下渗的降水填满壤中孔隙和土壤表面的坑洼 形成的。土壤包气带中的孔隙和岩石裂隙具有吸收储存和输送水分的功 能，当降雨量超过下渗量，在土壤表面开始蓄积，到达一定程度径流便 开始形成。从上图可以看出水的循环分成了蒸发、截留及径流三个部分， 这就造成了水分大循环、小循环和水量平衡的时空格局与过程的差异。 揭示三者的关系，确定单场降雨的径流量，需根据流域径流形成过程和 不同径流成分的影响实际条件分析总结得出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 2 影响径流的因素 降水在地面经过下渗和蓄积以后形成径流，它反映了流域植被、土 壤、气候和其它一些综合水文特征，是衡量植被水土保持、涵养水分、 减少洪峰等效益的一个基本指标。影响流域径流形成的因素多种多样， 可以将其概括为降雨因素和流域因素，降雨因素包括降雨强度、持续时 间和降雨量；流域因素包括气候、地形地貌和人类活动。流域下垫面特 性指包气带厚度、土质、土壤结构、土地利用方式、湿度、植被覆盖和 坡面的影响这些因素的综合作用影响了流域水分的储存状况。降雨经 过下渗后形成的地下径流首先是在流域面上建立土壤水分的分布，其次 是侧向流形成流域径流。 3 。2 1 土壤因素 土层厚度、土壤孔隙状况、粒径组成，土壤成层型以及土壤中根 系分布状况是土壤因素的组成部分。土壤因素中的土壤质地、土壤均匀 程度对入渗有较大的影响，质地越粗、透水性越强，结构疏松的土壤要 比结构密实的土壤渗透能力强，疏松的土壤被压实后，渗透能力可减小 到原来的2 。h e l a l i a 对三种不同质地的土壤粘土、粘壤土、壤土进行 了5 0 个田闯双环入渗实验，分析得出土壤质地与稳渗率的关系弱于结 构因子与稳渗率的关系，特别是空隙率与稳渗率的关系非常明显。 3 2 2 初始含水率的影响 初始含水率的影响集中在入渗方面，该研究大多数是在土壤含水率 相对均匀的前提下探讨不同土壤含水率对入渗的影响。研究结果表明随 着初始含水率的增大，初损率降低，初渗率变小，趋于稳定入渗率的时 间变短：土壤越干燥，初始入渗率越大。原因是初始含水率越低，基质 势梯度越大，需要较多水分进入较大充气孔隙以接近饱和。 3 2 3 土地利用的影响 土地利用类型